Главная – Журналы – Химия в интересах устойчивого развития 2016 номер 3

Статью можно начинать со ссылки на недавние события с участием Председателя Правительства РФ Д. А. Медведева. В ходе совещания по развитию угольной промышленности в Новокузнецке 4-5 апреля 2016 г. он сказал: “Углехимия - это будущее. Мы это понимаем, и мы эту тему с губернатором обсуждали. Идет она, однако, слабо”. На встрече с активом партии “Единая Россия” он повторил: “Углехимия и продукты высокого передела из угля - это будущее. Тут и спора быть не может. И в правительстве это понимают. Но одного поручения моего будет мало, хотя я не отказываюсь, я готов его дать”. Председатель Правительства пообещал дать поручение для разработки Федеральной программы развития технологий по переработке угля в товарную продукцию.

Необходимость создания новых инновационных производств, не ограниченных только добычей природных ресурсов, продиктована сегодня как потребностями мирового рынка, так и стремлением повысить инновационную емкость сырьевых отраслей. Для Кузбасса - крупного промышленного и сырьевого региона - особую значимость приобретает задача внедрения технологических инноваций непосредственно в сферу угледобычи. Решение ее возможно путем организации производств наукоемкой углехимической продукции, и именно угледобывающая промышленность способна стать не только плацдармом, но и драйвером инновационного развития экономики региона. Внедрение перспективных технологий глубокой переработки сырья позволит выйти за рамки добычи энергетического угля и использовать так называемый угольный неликвид для производства широкого спектра востребованной углехимической продукции с высокой добавленной стоимостью. Безусловно, этот путь развития достаточно капиталоемкий, и в современных условиях требует консолидации усилий собственников угледобывающих предприятий, государства и научного сообщества. В таких условиях у Кузбасса с его весомой научно-исследовательской базой в области углехимии есть шанс стать первой перспективной площадкой для внедрения и успешной реализации подобных совместных проектов. Проведен анализ современного состояния ведущей отрасли экономики Кемеровской области, оценены перспективы внедрения углехимических производств в целях инновационного развития региона, рассмотрены направления развития углехимической промышленности. Сделан вывод о необходимости использования в деятельности угольных компаний инновационных технологий, способных сократить “технологические” потери угля и обеспечить интенсивный путь развития региональной экономики.

Необходимость развития углехимии диктуется существующими ограничениями развития угольной промышленности Кузбасса. В то же время практическая реализация проектов глубокой переработки угля осложняется отсутствием российских промышленных технологий углехимии, высокой стоимостью зарубежных технологий и текущими экономическими условиями. Для развития российской углехимии требуется консолидация усилий научного сообщества, угледобывающих компаний и государства в рамках государственно-частного партнерства.

На примере бурого угля, золы уноса и КЕКа представлены результаты газификации низкосортных углей и углеотходов в фильтрационном режиме со сверхадиабатическими разогревами. Газификация низкосортных углей и углеотходов позволяет получать горючий газ с теплотой сгорания от 2 до 5 МДж/м3 и обеспечивает высокую степень сгорания углерода. Кроме того, можно получить до 10 мас. % жидких углеводородов с теплотой сгорания 32 МДж/кг, представляющих ценность для химической промышленности.

Показана роль активных углей и адсорбционных технологий на их основе в решении широкого спектра задач в промышленности, в защите окружающей среды и человека. Описаны новые технологии получения активных углей на каменноугольной основе, в частности, с использованием каменных углей Кузнецкого бассейна. Приведены результаты их испытаний в ряде важных отраслей современной экономики России, в том числе в питьевом водоснабжении, гидрометаллургии золота, в производстве противогазовой техники.

Каменноугольный пек - важнейший вид сырья для получения промышленных углеродных материалов. Зависимость масштабов его производства и качественных характеристик от потребности в металлургическом коксе и условий коксования углей требует поиска альтернативных видов сырья для углеродных материалов и методов управления их свойствами. Рассмотрены вопросы получения сырья для углеродных материалов на основе процессов переработки каменноугольной смолы и термического растворения ископаемых углей. Изложены результаты работ в этой области АО “Восточный научно-исследовательский углехимический институт” и Института органического синтеза им. И. Я. Постовского УрО РАН.

Выполнен обзор состояния проблемы получения заменителей каменноугольного пека для производства качественных углеродных материалов. Рассмотрены возможности альтернативных методов их получения из нефтяного сырья и продуктов термической и термохимической переработки углей. Показана перспективность низкотемпературного процесса терморастворения углей в мягких условиях для получения экстрактивного пека. Проведено сопоставление химического состава и технических показателей полученных экстрактивных пеков с промышленным каменноугольным пеком и пеками на нефтяной основе. По данным состава, строения молекул и техническим показателям полученный экстрактивный пек близок к каменноугольным и нефтекаменноугольным. С применением экстрактивного пека в качестве связующего приготовлен экспериментальный образец анода. Показано его соответствие основным техническим требованиям.

Обобщены отечественные и зарубежные работы, в которых описаны процессы самовозгорания углей при добыче в шахтах, при хранении на складах, в отвалах угольных шахт и разрезов. Проведен анализ особенностей их протекания в зависимости от стадии метаморфизма, петрографического состава, пористой структуры углей, содержания влаги и минеральных компонентов. Отмечено, что процессы самовозгорания включают окисление преимущественно алифатических структур, содержащих кислородные функциональные группы, разветвленные алифатические цепочки, метиленовые группы, связанные с ароматическими кольцами. Наиболее высокой склонностью к самовозгоранию отличаются бурые и каменные угли низкой степени метаморфизма. Определенное влияние на склонность к самовозгоранию могут оказывать присутствующие в углях минеральные вещества. Тонкопористое строение органической массы определяет преимущественно диффузионно-кинетический режим окислительных реакций. Как правило, влияние диффузионных стадий менее существенно в сравнении с влиянием степени метаморфизма угля и его влажности. Отмечено, что самовозгорание углей обусловлено совокупным действием большого числа факторов различной природы, включая химические, физические и горно-геологические. Их влияние проявляется в различной степени и изучено недостаточно. Для установления физико-химических основ реакций угля с кислородом, выявления ключевых стадий самонагревания и возгорания, выработки надежных критериев прогнозирования необходимы новые данные на основе глубоких междисциплинарных исследований с применением современных химических и физических методов. С учетом многофакторности явлений самовозгорания, эндогенных пожаров и взрывов целесообразна выработка критериев для углей и пластов конкретных горно-геологических условий по типу бассейновой промышленной классификации углей.

Изучено распределение токсичных элементов и токсичных соединений в золошлаковых отходах от сжигания углей Кузнецкого угольного бассейна. Исследованы корреляционные связи между содержанием тяжелых металлов в валовой и подвижной формах, а также взаимосвязи между содержанием отдельных элементов в золошлаковых отходах. Корреляционный анализ данных выявил сильную корреляционную связь валового содержания с подвижными формами для никеля, свинца, марганца и кобальта (коэффициент корреляции равен 0.99, 0.96, 0.92 и 0.96 соответственно), в то время как для меди и цинка она слабая. Выявлена сильная взаимосвязь валового содержания в золошлаках меди и хрома (r = 0.84). Для подвижных форм элементов обнаружена связь между содержанием кобальта и никеля (r = 0.85), а также фтора и цинка (r = 0.59).

Исследованы образцы углей различных марок, представляющих ряд метаморфического превращения. Методом ЯМР-спектроскопии установлено, что с увеличением зрелости углей растет вклад содержания углерода в структурных фрагментах от ароматических колец. Пропорционально уменьшается вклад от концевых атомов алкильных фрагментов и кислородсодержащих групп. Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии определен качественный и количественный состав индивидуальных представителей класса полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в органических экстрактах каменных углей. Угли марок К, КС характеризуются максимальным суммарным содержанием ПАУ - от 363.4 до 432.0 мкг/кг. Выявлена закономерность изменения суммарного состава ПАУ с увеличением зрелости углей. Максимум кривой соответствует образцам с показателем отражения витринита, равным 1.185-1.310 %.

Рассмотрены изменения петрографического состава некоторых проб углей одной марки, отобранных с разных месторождений Кузнецкого бассейна (с севера на юг). Выявлено, что суммарное содержание компонентов групп витринита и семивитринита изменяется своеобразно.

С использованием физико-химических методов анализа (РФА, БЭТ, ТГА, СЭМ) исследованы характеристики катализаторов процесса озонолитической обработки ароматических углеводородов. Обнаружено, что в реакции озонолитического обессеривания углеводородов наиболее эффективна каталитическая система Mg-Cr. Установлено, что в ходе каталитического озонолитического обессеривания бензольной фракции на поверхности катализатора накапливаются углеродные фрагменты, что связано с адсорбцией серосодержащих молекул и с процессом окисления сконденсированных углеводородных фрагментов сырья.

Исследованы спекающие свойства 22 образцов каменных углей с целью определения взаимосвязи индекса свободного вспучивания SI со стадией их метаморфизма (R_o.r). Установлено, что показатель SI в ряду метаморфизма исследованных углей изменяется по кривой с максимумом в области R_o.r = 0.81-1.00 %. Показано, что SI линейно увеличивается с ростом толщины пластического слоя в интервале значений у = 4-22 мм. Полученное корреляционное уравнение можно использовать для определения расчетных значений индекса свободного вспучивания SI для углей с у < 22 мм.

Исследована пористая структура высокотемпературных коксов, полученных на основе углей различного марочного состава Кузнецкого бассейна. Экспериментально установлено, что с ростом стадии метаморфизма углей снижается удельная поверхность высокотемпературных коксов на их основе. Определено, что из низкометаморфизованных и слабоспекающихся углей образуются коксы с максимальным относительным объемом микропор. В углях средних стадий метаморфизма при карбонизации преобладающее развитие получают транспортные поры.

Впервые с применением ¹³С ЯМР-спектроскопии исследованы 18 образцов каменных углей различных стадий метаморфизма, отобранных на угледобывающих предприятиях Кузбасса. Анализ полученных аналитических данных показал, что с ростом стадии метаморфизма углей степень их ароматичности f_a повышается от 0.68 до 0.85. Установлено, что рост показателя ароматичности f_a органической массы углей пропорционален уменьшению количества алифатического углерода в структурных фрагментах в диапазоне 0-51 м. д.

С использованием методов ИК-Фурье, ¹³С ЯМР-спектроскопии в твердом теле исследована сорбция катионов меди нативными и модифицированными гуминовыми кислотами, полученными из бурых углей Тисульского месторождения Канско-Ачинского бассейна. Определены сорбционные емкости гуминовых кислот. Показано, что модифицирование гуминовых кислот пероксидом водорода приводит к изменению функционального состава и повышению сорбционной емкости. Сорбция катионов меди протекает как по механизму ионного обмена, так и за счет образования комплексов с кислородосодержащими группами и ароматическими фрагментами.

Проанализированы тенденции развития энергетики и коксохимии - основных потребителей каменных и бурых углей. Показан значительный потенциал увеличения доли используемых углей в энергетике. Широкое применение в коксохимии технологии вдувания пылеугольного топлива для получения чугуна, с одной стороны, значительно снижает количество потребляемого металлургического кокса; с другой стороны, требует существенного улучшения его качества. Рассмотрены возможные направления повышения качества доменного кокса, совершенствования сырьевой базы пылеугольного топлива для доменных печей и производства спецвидов кокса. Предложены новые направления получения синтез-газа на основе действующих коксохимических и металлургических предприятий путем смешения коксового и конвертерного газов, а также методом газификации смоловодяных эмульсий. Показана перспективность отечественного метода каталитического коксования, который не имеет аналогов в мире. Его реализация позволит развить фундаментальные научные подходы к составлению угольных смесей для коксования, а также предложить эффективные методы их подготовки. Разработана перспективная отечественная технология энерготехнологической переработки бурых углей Кемеровской области на основе полукоксования с применением твердого теплоносителя. Создан способ получения заменителей пека для производства элитных сортов игольчатого кокса путем мягкого термического растворения определенного типа углей в технических маслах, выделяемых из коксохимической смолы. Показаны преимущества технологии подготовки и сжигания водоугольного топлива: 1) относительная дешевизна; 2) доступность сырья; 3) экологическая чистота процесса сжигания; 4) апробированность процесса (отработана передача суспензии по трубопроводам на расстояние 200-600 км и переработано около 600 тыс. т топлива). Разработан не имеющий аналогов в мире способ подготовки энергетического газа подземной газификации углей, позволяющий существенно (на 40 %) снизить капитальные вложения в сооружение установки и практически в два раза уменьшить срок окупаемости капитальных вложений. Предложения направлены на использование потенциала уникального угольного бассейна, расположенного в Кемеровской области.